2014年2月，美國LLNL實驗室，NIF裝置。以激光驅動核聚變為(wei) 目標的科學家們(men) 實現了一個(ge) 裏程碑式的突破：聚變反應產(chan) 出的能量比激發其聚變的能量更高了。這份報告幾乎恰好在該裝置進行首次192路空腔測試的五年後問世。當NIF在證實激光聚變'>激光聚變的道路上剛開了個(ge) 好頭，之後又陷入重重技術問題的當口，該報告的問世無疑帶來了一些受人歡迎的好消息。

　　通過反思產(chan) 生使聚變發生的內(nei) 爆的方法，特別是對激光脈衝(chong) 波形進行整形以減少困擾此項目很久的不穩定性，NIF的工作團隊終於(yu) 得以實現這次裏程碑式的進步。然而，盡管實現了淨能量產(chan) 出是一個(ge) 重要的進展，但實現裝置點火的核心目標——產(chan) 生可以自持的聚變反應——還需要有很多年的努力。本文是對迄今為(wei) 止NIF走過的激光聚變的道路的總覽，並揭示其未來的道路可能在何方。

　　概念提出：在地球上創造一顆恒星

　　自從(cong) 發現熱核聚變是太陽的能源時，科學家們(men) 就已經夢想能駕馭這種聚變的能量。但是太陽巨大的重力使得其實現聚變輕而易舉(ju) ——將氫原子和聚合到一起，形成氦核並釋放巨大的能量，同時這一過程可持續進行，成為(wei) 可自持的燃燒——而這在地球上極難實現的，在過去60年中人們(men) 一直無法實現大強度或穩定的熱核聚變。目前的大部分研究特別集中磁約束聚變方法上。

　　隨著激光技術的發明和進步，另一種可能實現聚變的方法問世了。慣性約束聚變通常由高功率激光將微克量級的冰凍氘和氚加熱，以驅動聚變反應，從(cong) 而實現點火目標。1972年，LLNL實驗室的John Nuckolls和同事們(men) 提議建造這樣的一個(ge) 裝置，並草擬了激光功率，脈衝(chong) 波形，球對稱性等關(guan) 鍵變量的設計要求。

　　十年後，Nuckolls和同事們(men) 進一步細化了這一概念，提議將樣品燃料球放置在黑體(ti) 輻射腔內(nei) 。概念中，激光轟擊到黑體(ti) 輻射腔內(nei) 後轉化為(wei) X射線，進而X射線將燒蝕靶球並激發內(nei) 爆。這一基本框架——即所謂的間接驅動方法——凝聚了NIF人為(wei) 了點火默默的付出。

　　圖1 金製圓柱黑體(ti) 輻射腔，尺寸大概相當於(yu) 一塊橡皮，內(nei) 置胡椒子大小的聚變燃料靶丸

　　NIF該如何工作

　　為(wei) 了在地球上實現瞬間能夠媲美恒星和行星內(nei) 核的1億(yi) 度高溫和一千億(yi) 倍大氣壓的超高溫超高壓環境，NIF的大量工作始於(yu) 一個(ge) 9.425mm長，5.75mm直徑的金製圓柱空腔，即黑體(ti) 輻射腔。在輻射腔內(nei) 是一個(ge) 2mm的球體(ti) ，內(nei) 含一個(ge) 冰凍的氘-氚球混合冷凍的氘-氚氣體(ti) 。該球體(ti) 包裹在摻雜矽的塑料外殼內(nei) 。黑體(ti) 輻射腔的靶——其尺寸就如同鉛筆上的橡皮那麽(me) 大——放置在一個(ge) 10米直徑的球形靶室內(nei) ，而該靶室又位於(yu) NIF裝置的“中央車站”內(nei) ，那是一個(ge) 混凝土製的圍牆，其高度和直徑都是30米。

　　以激光向黑體(ti) 輻射腔的轟擊過程始於(yu) 一束能量很弱的激光脈衝(chong) (大約1nJ)，經過NIF一係列的摻釹玻璃前置放大器和主放，最終的總能量將被放大到1.9MJ。這一巨大的能量經由192路分離的激光放大光束傳(chuan) 遞到黑體(ti) 輻射腔內(nei) ，自適應光學件(變形鏡等用來校正波前誤差)和其他一係列裝置用來提供光束質量，控製光束特性，將紅外光轉變為(wei) 紫外光，並聚焦到豌豆大小的黑體(ti) 輻射腔內(nei) 。從(cong) 開始傳(chuan) 輸到最終進入靶室，光束共傳(chuan) 輸了1500米——曆時大約5μs——且最終打靶的精度控製在50μm以內(nei) 。

　　當聚焦的光束同時射入金製的黑體(ti) 輻射腔內(nei) 時，會(hui) 在內(nei) 部產(chan) 生X射線，並急速加熱燃料芯塊的摻矽塑料包層。靶球的剩餘(yu) 部分將向內(nei) 進行內(nei) 爆，壓縮內(nei) 部的燃料塊，並產(chan) 生一個(ge) 衝(chong) 擊波附加更多熱量到燃料塊上，由此產(chan) 生“點燃”效果。雖然激光照射在靶上的時間約20ns，但大部分的核反應在“聲爆時間”內(nei) 就發生了，這個(ge) 時間短到大概隻有100~200ps。

　　如果內(nei) 爆是對稱發生的，且內(nei) 爆速度足夠大(約700，000英裏/時)，氘和氚原子將在千億(yi) 分之一秒內(nei) 聚合到一起，發生聚變反應，並產(chan) 生出比太陽核心溫度還要高的高溫。聚變反應將生成Alpha粒子(氦核)和中子。Alpha粒子將附帶能量進入氘-氚燃料內(nei) ，加熱燃料並增加聚變反應的比例，從(cong) 而產(chan) 生更多Alpha粒子，這就是已知的“熱點區”。

　　這一鏈式反應表明了氘-氚燃料的燃燒速度如何提速並最終達到自持的——達到能夠進行增殖燃燒或者點火。終極目標是實驗室內(nei) 的人造恒星將能產(chan) 出10~100倍於(yu) 將其點火的能量。

　建造NIF

　　盡管外界關(guan) 於(yu) NIF的輿論總把聚變能與(yu) 潛在的能源聯係在一起，其實該裝置最初的目的更多的是傾(qing) 向核武器而非核能源。上世紀90年代，美國核武器計劃由設計與(yu) 開發新武器轉變為(wei) 拆除現存的武器。能源部創立了儲(chu) 備管理計劃，以在不進行全麵地下核試驗的基礎上維持美國核威懾力量的“安全，保密與(yu) 可靠”。

　　NIF當初的設計是該計劃的一部分，為(wei) 了給科學家們(men) 提供一種在可控環境下觀察和檢測熱核反應的方法，以及在給定時間內(nei) ，做到比地下試驗執行更多次的實驗。NIF的注資和監管因此由國家核能安全管理局NNSA負責，而不是通過能源部的聚變能項目注資，後者主要集中研究磁約束聚變方麵。

　　1997年NIF在LLNL動工開建，預計花費12億(yi) 美元，並於(yu) 2002年竣工。在2000年，政府會(hui) 計辦公室發現建設監督和管理不善，已經比預計標價(jia) 多出10億(yi) 美元。最終該建設項目花費 35億(yi) 美元，且比計劃晚了十年建成。

　　建設成果：一個(ge) 龐大無比的裝置(3個(ge) 足球場可以容納在10個(ge) 主建築裏)，內(nei) 置已知建造的最大的激光器和最大的光學儀(yi) 器，包含7500個(ge) 直徑超過30cm的光學件以及超過30000個(ge) 更小的光學件。)